ในความพยายามที่จะสร้างอนาคตที่ไม่ต้องพึ่งพาการเผาฟอสซิลในการผลิตพลังงาน เทคโนโลยีหลายอย่างได้กลายเป็นหัวใจในกระบวนการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนและปรับปรุงคุณภาพอากาศ เช่น แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน, ไบโอฟูเอล และแหล่งพลังงานทดแทน เช่น พลังงานลม นอกเหนือจากลิเธียมซึ่งเป็นธาตุที่สำคัญในการผลิตแบตเตอรี่แล้ว การวิเคราะห์ธาตุในระดับต่ำก็มีบทบาทในพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้และในการรับรองการใช้เทคโนโลยีที่สะอาดและปลอดภัย
ตั้งแต่การพัฒนาในช่วงทศวรรษที่ 1970 และต้นทศวรรษที่ 1980 แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนได้กลายเป็นแหล่งพลังงานที่สะดวกสำหรับอุปกรณ์หลากหลายประเภท ตั้งแต่โทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อปไปจนถึงกล้องถ่ายรูปและจักรยานไฟฟ้า จากนั้นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนได้กลายเป็นหัวใจสำคัญในการพัฒนารถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ที่มุ่งเน้นตลาดผู้บริโภคที่ใส่ใจเรื่องสภาพภูมิอากาศ
การวิเคราะห์ธาตุในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนในแต่ละช่วงของวงจรชีวิตแบตเตอรี่
การวิเคราะห์ธาตุในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนเริ่มต้นตั้งแต่กระบวนการพัฒนาและผลิตแบตเตอรี่ โดยต้องวัดผลผลิตและความบริสุทธิ์ของเกลือของลิเธียมที่สกัดจากแร่ แหล่งน้ำเกลือ หรือ (อาจจะ) น้ำทะเลก่อนที่จะส่งไปยังการประมวลผลเพิ่มเติมเพื่อนำไปใช้ในการผลิตวัสดุที่ต้องใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ ส่วนประกอบเหล่านี้เองก็ต้องการการวิเคราะห์ธาตุเพื่อให้แน่ใจว่าองค์ประกอบและความบริสุทธิ์ของวัสดุเหล่านั้นถูกต้องก่อนที่จะใช้ในการผลิต ส่วนประกอบของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนประกอบด้วยแคโธด แอโนด อิเล็กโทรไลต์ และเมมเบรน ซึ่งในแคโธดและอิเล็กโทรไลต์จะต้องใช้โลหะผสมของลิเธียม แคโธดมี 5 ประเภทหลัก ได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2), ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์อลูมิเนียมออกไซด์ (LiNiCoAlO2), ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn2O4), ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสออกไซด์ (LiNiCoMnO2) และลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4) โดย NCA, NCM และ LFP ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ยานยนต์ไฟฟ้า การเลือกประเภทของแคโธดจะมีผลต่อปัจจัยต่างๆ เช่น ความจุของแบตเตอรี่และความปลอดภัยในการใช้งาน (เคยมีเหตุการณ์แบตเตอรี่ลิเธียมระเบิดหลายครั้ง) ดังนั้นการวัดองค์ประกอบธาตุในวัสดุแคโธดจึงเป็นขั้นตอนที่สำคัญในกระบวนการพัฒนาและผลิตแบตเตอรี่ ส่วนประกอบที่สองที่ต้องการการวิเคราะห์ธาตุคืออิเล็กโทรไลต์ ซึ่งวัสดุอิเล็กโทรไลต์ของเหลวที่ใช้บ่อยที่สุดคือ ลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6) ผสมกับตัวทำละลายเอทิลีนคาร์บอเนต ดีเมธิลคาร์บอเนต และไดเอทิลคาร์บอเนต การมีสิ่งเจือปน เช่น น้ำและโลหะทรานซิชันในอิเล็กโทรไลต์จะทำให้ความสามารถในการรับประจุของแบตเตอรี่ลดลงและทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็วขึ้นระหว่างการชาร์จ/การปล่อยประจุ ดังนั้นการตรวจสอบสิ่งเจือปนในสารตั้งต้นที่ใช้ในการผลิตอิเล็กโทรไลต์จึงมีความสำคัญมาก
เทคนิคการวิเคราะห์
เทคนิคหลักสองประการที่เหมาะสมที่สุดในการวัดธาตุในวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนคือ ICP-OES และICP-MS ซึ่งแม่นยำและรวดเร็วกว่าเทคนิคอื่นๆ
รูปแสดงผล % Recovery จากการวิเคราะห์ธาตุต่างๆในวัสดุแบตเตอรี่ด้วยเทคนิค ICP-OES (ผลการวิเคราะห์จากเครื่อง iCAP PRO จากผู้ผลิต Thermo Scientific)